什麼是SOC

SoC技術的發展

　　整合電路的發展已有40 年的曆史，它一直遵循摩爾所指示的規律推進，現已進入深亞微米階段。由於資訊市場的需求和微電子自身的發展，引發了以微細加工（整合電路特徵尺寸不斷縮小）為主要特徵的多種工藝整合技術和面嚮應用的系統級晶片的發展。隨著半導體產業進入超深亞微米乃至納米加工時代，在單一整合電路晶片上就可以實現一個複雜的電子系統，諸如手機晶片、數字電視晶片、DVD 晶片等。在未來幾年內，上億個晶體管、幾千萬個邏輯門都可望在單一晶片上實現。 SoC ( System - on - Chip)設計技術始於20世紀90年代中期,隨著半導體工藝技術的發展, IC設計者能夠將愈來愈複雜的功能整合到單矽片上, SoC正是在整合電路( IC)向整合系統( IS)轉變的大方向下產生的。1994 年Motorola發布的Flex Core系統(用來製作基於68000和PowerPC的定製微處理器)和1995年LSILogic公司為Sony公司設計的SoC,可能是基於IP ( Intellectual Property)核完成SoC設計的最早報導。由於SoC可以充分利用已有的設計積累,顯著地提高了ASIC的設計能力,因此發展非常迅速,引起了工業界和學術界的關注。

　　SOC是整合電路發展的必然趨勢，1. 技術發展的必然2. IC 產業未來的發展。

SoC基本概念

　　SoC的定義多種多樣,由於其內涵豐富、應用範圍廣,很難給出準確定義。一般說來, SoC稱為系統級晶片,也有稱片上系統,意指它是一個產品,是一個有專用目標的整合電路,其中包含完整系統並有嵌入軟體的全部內容。同時它又是一種技術, 用以實現從確定系統功能開始,到軟/硬體劃分,並完成設計的整個過程。從狹義角度講,它是資訊系統核心的晶片整合,是將系統關鍵組件整合在一塊晶片上;從廣義角度講, SoC是一個微小型系統,如果說中央處理器(CPU)是大腦,那麼SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統。國內外學術界一般傾向將SoC定義為將微處理器、類比IP核、數字IP核和儲存空間(或片外儲存控制介面)整合在單一晶片上,它通常是客戶定製的,或是面向特定用途的標準產品。

　　SoC定義的基本內容主要表現在兩方面:其一是它的構成,其二是它形成過程。系統級晶片的構成可以是系統級晶片控制邏輯模組、微處理器/微控制器CPU 核心模組、數位訊號處理器DSP模組、嵌入的儲存空間模組、和外部進行通訊的介面模組、含有ADC /DAC 的類比前端模組、電源提供和功耗管理模組,對於一個無線SoC還有射頻前端模組、使用者定義邏輯(它可以由FPGA 或ASIC實現)以及微電子機械模組,更重要的是一個SoC 晶片內嵌有基本軟體(RDOS或COS以及其他應用軟體)模組或可載入的使用者軟體等。系統級晶片形成或產生過程包含以下三個方面:

1) 基於單片整合系統的軟硬體協同設計和驗證;

2) 再利用邏輯面積技術使用和產能佔有比例有效提高即開發和研究IP核產生及複用技術,特別是大容量的儲存模組嵌入的重複應用等;

3) 超深亞微米(UDSM) 、納米整合電路的設計理論和技術。

SoC設計的關鍵技術

　　具體地說, SoC設計的關鍵技術主要包括匯流排架構技術、IP核可複用技術、軟硬體協同設計技術、SoC驗證技術、可測性設計技術、低功耗設計技術、超深亞微米電路實現技術等,此外還要做嵌入式軟體移植、開發研究,是一門跨學科的新興研究領域。圖1是SoC設計流程的一個簡單。

SoC的發展趨勢及存在問題

　　當前晶片設計業正面臨著一系列的挑戰,系統晶片SoC已經成為IC設計業界的焦點, SoC效能越來越強,規模越來越大。SoC晶片的規模一般遠大於普通的ASIC,同時由於深亞微米工藝帶來的設計困難等,使得SoC設計的複雜度大大提高。在SoC設計中,模擬與驗證是SoC設計流程中最複雜、最耗時的環節,約佔整個晶片開發週期的50%～80% ,採用先進的設計與模擬驗證方法成為SoC設計成功的關鍵。SoC技術的發展趨勢是基於SoC開發平台,基於平台的設計是一種可以達到最大程度系統重用的面向整合的設計方法,分享IP核開發與系統整合成果,不斷重整價值鏈,在關注面積、延遲、功耗的基礎上,向成品率、可靠性、EMI 雜訊、成本、易用性等轉移,使系統級整合能力快速發展。

　　當前無論在國外還是國內,在SoC設計領域已展開激烈的競爭。SoC按指令集來劃分,主要分x86系列(如SiS550) 、ARM 系列(如OMAP) 、M IPS系列(如Au1500 ) 和類指令系列(如M 3Core)等幾類,每一類都各有千秋。國內研製開發人員主要基於後兩者,如中科院計算所中科SoC (基於龍芯核,相容M IPSⅢ指令集) 、北福士志(定義少許特殊指令) 、方舟2號(自訂指令集) 、國芯C3 Core (繼承M3 Core)等。開發擁有自主智慧財產權的處理器核、核心IP和匯流排架構,同時又保證相容性(整合第三方IP) ,將使我國SoC發展具有更強的競爭力,從而帶動國內IC產業往深度、廣度方向發展。